水泥攪拌樁在河道水利工程軟基處理中的應(yīng)用

水泥攪拌樁在河道護(hù)岸邊坡穩(wěn)定處理的應(yīng)用

摘要：水泥攪拌樁是加固飽和軟土地基的一種成熟方法，它在現(xiàn)代河道護(hù)岸工程軟土地基中提高其豎向承載力、水平抗剪切強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角的應(yīng)用也非常的廣泛，從某種意義上來(lái)看，水泥攪拌樁設(shè)計(jì)方案及施工技術(shù)質(zhì)量控制，直接關(guān)系著整個(gè)河道護(hù)岸工程的質(zhì)量。本文將以樂(lè)清灣港區(qū)北區(qū)河道工程軟基處理為例，就水泥攪拌樁技術(shù)在提高河道護(hù)岸整體穩(wěn)定的應(yīng)用，談一下自己的觀點(diǎn)和認(rèn)識(shí)，以供參考。

關(guān)鍵詞：河道護(hù)岸工程；水泥攪拌樁；邊坡穩(wěn)定；應(yīng)用；研究

1工程概述

1.1工程概況

本片河道整治涉及臨港北河、前塘河、里岙河和高嵩河四條河道，均為新挖河道，河道總長(zhǎng)5317m，其河道規(guī)模如表1所示。

區(qū)域河道規(guī)模

表1

河道名稱(chēng)

河道長(zhǎng)度（m）

河道寬度（m）

河底高程（m）

后側(cè)建基面高程（m）

臨港北河

3290

60

-1.5

4.3

前塘河

480

50

-1.5

4.3

里岙河

635

50

-1.5

4.3

高嵩河

912

60

-1.5

4.3

1.2區(qū)域地質(zhì)概況

本工程位于樂(lè)清市區(qū)東北沿海，擬建場(chǎng)地地基土在勘察深度內(nèi)共有3個(gè)工程地質(zhì)層，其中

=3\*GB3

③

細(xì)分為3個(gè)工程地質(zhì)亞層，分別為：

=3\*GB3

③

-1淤泥質(zhì)粘土、

=3\*GB3

③

-2淤泥、

=3\*GB3

③

-3淤泥，如表2所示。

土體強(qiáng)度表

表2

土層

編號(hào)

土層名稱(chēng)

快剪

固快

抗剪強(qiáng)度

C（kpa）

內(nèi)摩擦角

φ（o）

抗剪強(qiáng)度

C（kpa）

內(nèi)摩擦角

φ（o）

③-1

淤泥質(zhì)粘土

12.0

3.5

12.4

10.2

③-2

淤泥

6.1

2.1

8.2

8.5

③-3

淤泥

9.1

3.2

11.7

10.5

1.3河道斷面

墻頂高程取為2.2m，基礎(chǔ)底板頂高程取為0.7m，基礎(chǔ)外側(cè)設(shè)寬度不小于4.0m的護(hù)腳平臺(tái),并以1：5.0邊坡與設(shè)計(jì)河底高程-1.50m連接。后側(cè)布置斜坡綠化帶填高至4.3m。

圖1河道標(biāo)準(zhǔn)斷面

1.4河道護(hù)岸邊坡穩(wěn)定分析

圖2擋墻非常運(yùn)行工況整體穩(wěn)定計(jì)算圖

根據(jù)上述整體穩(wěn)定計(jì)算圖可知，擋墻后側(cè)填土高程為4.3m，設(shè)計(jì)河底高程為-1.5m，河道斷面的豎向落差為5.8m，其非常運(yùn)行工況整體穩(wěn)定不滿足其規(guī)范規(guī)定的要求。其原因?yàn)楹拥罃嗝尕Q向落差較大和擋墻以下淤泥質(zhì)土層水平抗剪強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角較小，行之有效的方法為提高其土層的水平抗剪強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角。軟土地基經(jīng)過(guò)水泥攪拌樁加固形成的復(fù)合地基，其打設(shè)水泥攪拌樁范圍內(nèi)土層的水平抗剪強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角能得到有效的提高，提高其邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)。

2水泥攪拌樁對(duì)工程地質(zhì)勘察的要求

對(duì)擬采用水泥攪拌樁處理河道護(hù)岸邊坡穩(wěn)定的水利工程，除了一般的工程地質(zhì)勘察要求外，還需要查明：

=1\*GB3

①

、護(hù)岸基礎(chǔ)土層的層厚和物質(zhì)組成，尤其是大塊物質(zhì)（如石塊和樹(shù)根等）的大小和含量；

=2\*GB3

②

、土的含水量：當(dāng)攪拌樁水泥配比一樣時(shí)，其內(nèi)摩擦角和水平抗剪強(qiáng)度隨土體的天然含水量的降低而增大；

=3\*GB3

③

、有機(jī)質(zhì)含量：土體有機(jī)質(zhì)含量較高會(huì)阻礙水泥水化反應(yīng)，影響攪拌樁水泥土的內(nèi)摩擦角和水平抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)。故對(duì)有機(jī)質(zhì)含量較高的填土和吹填土應(yīng)予慎重考慮；

=4\*GB3

④

、水質(zhì)分析：對(duì)土體地下水的酸堿度（PH值）及硫酸鹽含量等進(jìn)行分析，以判斷地下水對(duì)水泥侵蝕性的影響；

=5\*GB3

⑤

、塑性指數(shù)：當(dāng)?shù)鼗恋乃苄灾笖?shù)Ip>25時(shí)，水泥和地基土不容易攪拌均勻。

3水泥攪拌樁加固原理

深層水泥攪拌樁加固的基本原理是水泥攪拌樁加固土的物理化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程。在水泥攪拌樁加固土中，由于水泥的摻入量很?。▋H占被加固土重的7%～20%），水泥水解和水化反應(yīng)完全是在有一定活性的介質(zhì)—土體的圍繞下進(jìn)行。水泥攪拌樁土體的硬化速度緩慢且作用較復(fù)雜，其內(nèi)摩擦角和水平抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)的過(guò)程遠(yuǎn)比混凝土緩慢。其加固過(guò)程分別為：

=1\*GB3

①

水泥的水解和水化反應(yīng)；

=2\*GB3

②

土體顆粒與水泥水化物的作用；

=3\*GB3

③

碳化作用。

4河道護(hù)岸邊坡穩(wěn)定軟基處理中的水泥攪拌樁施工技術(shù)

水泥攪拌樁施工技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已形成噴漿和噴粉兩種深層攪拌施工技術(shù)，由于所使用的固化劑狀態(tài)不同，即噴漿型深層攪拌法的固化劑是水泥漿液；而噴粉攪拌法的固化劑是水泥干粉。由于噴粉攪拌樁施工質(zhì)量較難控制，一般采用噴漿型深層攪拌法。

4.1噴漿水泥攪拌樁施工工藝

圖3噴漿型深層水泥攪拌樁施工順序

噴漿型深層攪拌的施工順序如圖3所示：

=1\*GB3

①

、定位：起重機(jī)（或塔架）懸吊攪拌機(jī)到達(dá)指定樁位，對(duì)中；

=2\*GB3

②

、預(yù)攪下沉：待深層攪拌機(jī)的冷卻水循環(huán)正常后，啟動(dòng)攪拌樁電機(jī)，放松起重機(jī)鋼絲繩，使攪拌機(jī)沿導(dǎo)向架攪拌切土下沉，下沉速度可由電流監(jiān)測(cè)表控制；

=3\*GB3

③

、制備水泥漿：待深層攪拌機(jī)下沉一定深度時(shí)，即開(kāi)始按設(shè)計(jì)確定的配合比拌制水泥漿，待壓漿前將水泥漿倒入集料斗中；

=4\*GB3

④

、噴漿攪拌提升：深層攪拌機(jī)下沉到設(shè)計(jì)深度后，開(kāi)啟灰漿泵將水泥漿壓入地基中，邊噴漿邊旋轉(zhuǎn)，同時(shí)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)確定的提升速度提升攪拌機(jī)；

=5\*GB3

⑤

、重復(fù)攪拌下沉和提升：攪拌機(jī)提升至設(shè)計(jì)加固深度的頂面標(biāo)高時(shí)，集料斗中的水泥漿應(yīng)正好排空；

=6\*GB3

⑥

、清洗：向集料斗中注入適量的清水，開(kāi)啟灰漿泵，清洗全部管路中殘存的水泥漿，直至清洗干凈；

=7\*GB3

⑦

、移位：將攪拌機(jī)移位，重復(fù)上述

=1\*GB3

①

～

=6\*GB3

⑥

步驟，進(jìn)行下一根水泥攪拌樁的施工。

4.2噴漿水泥攪拌樁施工中常見(jiàn)的問(wèn)題和處理方法

噴漿水泥攪拌樁施工中常見(jiàn)的問(wèn)題和處理方法如表3所示：

噴漿水泥攪拌樁施工中常見(jiàn)問(wèn)題和處理方法

表3

常見(jiàn)問(wèn)題

發(fā)生原因

處理方法

預(yù)攪下沉困難，電流值高，電機(jī)跳閘

=1\*GB3

①

電壓偏低

=2\*GB3

②

土質(zhì)硬，阻力過(guò)大

=3\*GB3

③

遇大石塊、樹(shù)根等障礙物

=1\*GB3

①

增加電壓

=2\*GB3

②

適量沖水或漿液

=3\*GB3

③

挖除障礙物

攪拌機(jī)下不到預(yù)定深度，但電流不高

土體粘性大，攪拌機(jī)自重不足

增大攪拌機(jī)重量或開(kāi)動(dòng)加壓裝置

噴漿未到設(shè)計(jì)樁頂面（或底部樁端）標(biāo)高，集料斗水泥漿已排空

=1\*GB3

①

投料不準(zhǔn)確

=2\*GB3

②

灰漿泵損壞漏漿

=3\*GB3

③

灰漿泵輸漿量偏大

=1\*GB3

①

重新確定投料量

=2\*GB3

②

檢修灰漿泵

=3\*GB3

③

重新確定灰漿輸漿量

噴漿到設(shè)計(jì)樁頂面（或底部樁端）標(biāo)高，集料斗中剩漿過(guò)多

=1\*GB3

①

拌漿加水過(guò)量

=2\*GB3

②

投料不準(zhǔn)確

=3\*GB3

③

輸漿管路阻塞

=1\*GB3

①

重新標(biāo)定拌漿用水量

=2\*GB3

②

重新確定投料量

=3\*GB3

③

清洗輸漿管路

輸漿管堵塞爆裂

=1\*GB3

①

輸漿管內(nèi)有水泥結(jié)塊

=2\*GB3

②

噴漿口球閥間隙太小

=1\*GB3

①

拆洗輸漿管

=2\*GB3

②

使噴漿口球閥間隙適當(dāng)

攪拌鉆頭和混合土同步旋轉(zhuǎn)

=1\*GB3

①

灰漿濃度過(guò)大

=2\*GB3

②

攪拌葉片角度不適宜

=1\*GB3

①

重新標(biāo)定漿液水灰比

=2\*GB3

②

調(diào)整葉片角度或更換鉆頭

5河道工程軟基處理中的水泥攪拌樁技術(shù)應(yīng)用效果

5.1噴漿水泥攪拌樁場(chǎng)地適應(yīng)性分析

水泥攪拌樁對(duì)場(chǎng)地適應(yīng)性有很高的要求，如

=1\*GB3

①

場(chǎng)地內(nèi)有無(wú)大塊石和樹(shù)根；

=2\*GB3

②

土的含水量；

=3\*GB3

③

土的有機(jī)質(zhì)含量；

=4\*GB3

④

地下水的PH值；

=5\*GB3

⑤

土的塑性指數(shù)。

樂(lè)清灣港區(qū)北區(qū)河道工程場(chǎng)地地質(zhì)條件如表4所示：

場(chǎng)地地質(zhì)條件概況表

表4

項(xiàng)目

有無(wú)障礙物

土的含水量

土的有機(jī)物含量

地下水PH值

土的塑性指數(shù)

淤泥質(zhì)粘土

無(wú)

48.2%

無(wú)

6.7

20.7%

淤泥

無(wú)

68.1%

無(wú)

6.8

24.6%

淤泥

無(wú)

65.6%

無(wú)

6.8

23.2%

根據(jù)上述場(chǎng)地地質(zhì)條件，場(chǎng)地三個(gè)土層五個(gè)地質(zhì)條件對(duì)水泥攪拌樁的適用性分析如下所示：

=1\*GB3

①

、場(chǎng)地內(nèi)無(wú)障礙物水泥攪拌樁可以順利打設(shè)；

=2\*GB3

②

、土的含水量在布置水泥攪拌樁的范圍內(nèi)；

=3\*GB3

③

、土中無(wú)有機(jī)物含量，不會(huì)影響水泥的水化反應(yīng)而影響其加固土的強(qiáng)度；

=4\*GB3

④

、水泥攪拌樁處理的淤泥地質(zhì)土層地下水的PH值為弱酸性，不會(huì)侵蝕水泥攪拌樁；

=5\*GB3

⑤

、土體的塑性指數(shù)相對(duì)較小，不會(huì)影響水泥攪拌樁的成樁質(zhì)量。故本河道工程軟土地基處理采用噴漿水泥攪拌樁較適用。

5.2噴漿水泥攪拌樁技術(shù)在樂(lè)清灣港區(qū)北區(qū)河道工程應(yīng)用效果

根據(jù)相關(guān)水泥土抗剪強(qiáng)度采用直接快剪和三軸不排水剪切試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定，其試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

水泥土直剪試驗(yàn)結(jié)果表

表5

天然土樣試驗(yàn)

水泥摻量

aw

(%)

水泥土

齡期

T

(d)

水泥土試驗(yàn)

無(wú)側(cè)限抗

壓強(qiáng)度

qu

(kpa)

抗剪強(qiáng)度

無(wú)側(cè)限抗

壓強(qiáng)度

qu

(kpa)

抗剪強(qiáng)度

黏聚力

C

(kpa)

內(nèi)摩擦角

φ

(o)

黏聚力

C

(kpa)

內(nèi)摩擦角

φ

(o)

37

14

14

10

28

633

161

26.5

10

90

1124

271

31

15

28

1315

289

32

根據(jù)上述試驗(yàn)表明：當(dāng)水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu在0.61MPa～3MPa的范圍內(nèi)，其黏聚力c與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu的20%～30%之間，其內(nèi)摩擦角φ變化在20o～30o之間。

查找相關(guān)資料表明，濱海相沉積淤泥經(jīng)處理形成水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1000kpa（90d），7d水泥土強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的30%，30d為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的60%。根據(jù)《地基處理手冊(cè)（第三版）》（龔曉楠主編），按下式計(jì)算復(fù)合土體強(qiáng)度：

式中：

—天然土體強(qiáng)度指標(biāo)，計(jì)算中取快剪指標(biāo)；

—樁身強(qiáng)度指標(biāo)；

m—土體置換率。

本工程計(jì)算土體指標(biāo)根據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)勘察資料進(jìn)行選用。水泥摻入量可根據(jù)要求選用7%～20%，現(xiàn)初步擬定水泥摻入量為15%，該河道工程軟基處理過(guò)程中，水泥土抗剪強(qiáng)度采取抗壓強(qiáng)度的20%，為200kpa，內(nèi)摩擦角取定20o。水泥攪拌樁樁間距為1.3m，攪拌樁面積置換率m取16.7%，加固區(qū)位于淤泥層內(nèi)，該土層加固后復(fù)合土體強(qiáng)度指標(biāo)如表6所示。

加固區(qū)內(nèi)復(fù)合土體強(qiáng)度表

表6

土層編號(hào)

土層名稱(chēng)

快剪

固快

抗剪強(qiáng)度

C（kpa）

內(nèi)摩擦角

φ（o）

抗剪強(qiáng)度

C（kpa）

內(nèi)摩擦角

φ（o）

③-1

淤泥質(zhì)粘土

40.2

6.1

40.5

11.7

③-2

淤泥

35.2

7.5

37.2

10.3

③-3

淤泥

37.7

8.4

39.9

12.0

設(shè)計(jì)計(jì)算取值

37.0

6.9

38.5

11.2

有關(guān)水泥土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)表明，當(dāng)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu在0.61～3.0MPa的范圍內(nèi)，其黏聚力比天然土的大10～20倍，內(nèi)摩擦角增加一倍左右。通過(guò)水泥攪拌樁在不同處理位置、不同處理范圍和不同處理深度進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，綜合考慮工程投資，水泥攪拌樁在河道擋墻底側(cè)位置，寬9.1m范圍，處理深度為16m，樁間距為1.3m，其河道整體穩(wěn)定能滿足規(guī)范要求。地基基礎(chǔ)經(jīng)過(guò)水泥攪拌樁處理后，整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如下圖所示。

圖4水泥攪拌樁處理后非常運(yùn)行工況整體穩(wěn)定

6結(jié)語(yǔ)：樂(lè)清灣港區(qū)北區(qū)